1. 서론

코로나 방전 원리를 이용한 이온풍 발생장치는 코로나 및 유도(접지)전극으로만 구성되어 구조가 매우 단순하고 내구성이 뛰어나며 소형화 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 최근 이와 같은 특성을 이용하여 다양한 연구 분야에 적용하고자 하고 있으며, 주로 냉각분야와 추진분야에 대한 연구가 수행 중이다. 냉각분야는 반도체 기반의 고집적 IC 및 고주파 스위칭 전자소자들의 냉각에 이용되는 공랭식 냉각팬(air cooling electric fan)을 대체하기 위한 것이며^[1,2], 추진분야는 주로 우주선의 추진 장치로써 연구되고 있지만, 대기권내 비행체의 보조 추진 장치로도 연구되고 있다^[3,5].

이온풍 발생 원리는 다음과 같다. 코로나 방전 시 코로나전극 부근 코로나 발생 영역(corona region)에서 고전계(high electric field)에 의해 생성된 이온들이 유도전극 방향으로 가속되어 이동한다. 방전 공간 내에서 가속 된 이온들은 중성 공기 분자들과 충돌을 통하여 에너지 교환이 이루어지고 결국 이온과 충돌된 공기 분자들은 모두 유도전극 방향으로 이동하게 되어 이러한 공기의 흐름이 풍속으로 나타나게 된다. 이때 이온들의 이동은 전류로 나타나며, 식 (1)과 같이 전류밀도(current density)로 나타낼 수 있다^[8].

( $\vec{j}$ : 전류밀도, $q$ : 전하량, $\mu_{i}$ : 이온 이동도, $\vec{E}$ : 전계, $\vec{v}$ : 기체의 속도, $D$ : 이온의 확산계수)

지금까지 활발하게 진행된 연구는 코로나전극 및 유도전극의 구조, 형상 및 배치, 코로나전극과 유도전극 간의 간격, 전극의 재질 등을 변경하여 풍속 및 에너지 효율을 증가시키기 위한 연구가 수행되었다. 그러나 위 언급된 방법만으로는 풍속을 증가시키는데 한계가 있으며, 이를 보완하기 위하여 본 연구에서는 코로나전극과 유도전극 이외에 가속 전극을 설치하여, 이온 및 전자들을 효과적으로 가속함으로써 비교적 높은 이온풍속을 얻을 수 있음을 실험적으로 연구하였다.

2. 실험 장치 및 방법

그림. 1은 이온풍 실험장치의 개략도를 나타낸 것으로, 코로나전극, 유도전극, 가속전극이 설치된 이온풍 챔버, 직류 고전압 발생장치, 그리고 이온풍속 및 전류, 전압의 측정장치로 구성되어 있다. 직류 고전압 발생장치(HVDC, ULTRAVOLT, 25A24-P30, 25A24-N30)를 사용하여 이온 풍 챔버에 직류 고전압을 인가하고, 이때 생성된 이온의 풍속은 풍속계(AM, testo, 425)를 유도전극의 110 mm 후방에 설치하여 평균 풍속을 측정하였으며, 그리고 방전전류는 측정 저항($R_{M}$, cemen type, 5 W, 1 kΩ)과 전압계(DVM, Fluke 179)를 사용하여 측정된 전압을 전류로 환산 하였다. 또한 서지로부터 측정기기의 보호를 위해 서지어레스터(SA)를 설치하였다. 실험에 사용된 이온풍 챔버의 재질은 아크릴 관(내경 60 mm, 외경 70 mm)을 사용하였으며, 코로나전극으로는 스테인리스(stainless) 재질의 침 8개를 환형으로 배치하여 사용하였고, 유도전극과 가속전극은 스테인리스 재질의 그물형 전극(두께 0.3 mm, 그물코의 크기는 가로*세로 2*2 mm)을 사용하였다. 코로나전극과 유도전극간의 간격(s)은 12 mm로 고정하고, 유도전극과 가속전극간의 간격(g)은 20 mm로 하여 실험을 진행하였다. 모든 실험은 온습도가 제어된 상태에서 실험장치내 공기 중(25±1 ℃, 42±3 % RH)에서 실시하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

그림. 2는 주 방전의 극성, 가속전극의 설치 유무의 3가지 조건(가속전극이 없을 때, 가속전극 전압이 ±5.0 kV, 가속전극 전압이 ±10.0 kV)에 따른 코로나 방전 시 $I_{CI}$-$V_{CI}$ 특성을 나타낸 것이다. 실험이 진행된 3가지 조건 모두 코로나 개시전압(정극성: 약 4.5 kV , 부극성: 약 4.3 kV)에서 코로나 전류가 흐르기 시작하여 인가전압의 증가에 동시에 전류가 증가하다가 절연파괴전압(정극성: 약 12 kV, 부극성: 약 15 kV)에 이르는 전형적인 코로나 방전 특성을 보여준다. 이는 일반적으로 부극성과 비교하여 정극성의 경우, 코로나 개시전압은 높아지며 절연파괴전압은 낮아지는 전형적인 침대 평판형 전극의 정극성 방전 특성을 보여준다. 정극성의 경우, 발생되는 이온들은 대부분이 양이온의 공기 입자이나 부극성의 경우에는 다수의 전자와 소수의 부극성의 공기이온으로 전계 중에서 양이온과 전자의 부피 및 질량차이에 따른 이동속도 차이가 방전에 큰 영향을 미친다. 정·부극성에서 발생된 양이온 및 전자는 방전의 극성에 따른 공간전하(space charge)로서 작용하며, 공간전하의 존재는 양이온이 전자보다 크게 작용하며 따라서 정극성일 경우, 코로나 개시전압이 높아지며 방전진전은 촉진되어 절연파괴 전압이 부극성보다 낮게 나타난다.

가속전극의 유무에 따른 방전개시전압 및 절연파괴전압이 모두 비슷한 경향을 보인다. 그러나 유도전극에 설치된 측정저항에서 측정되는 전류의 크기는 코로나전극에 인가되는 전압의 크기가 같은 상태에서 가속전극 인가되는 전압의 크기가 커질수록 낮아지는 특성을 보여준다. 이는 가속전극에 인가되는 전압으로 생성된 유도전극과 가속전극 사이의 전계에 의해 유도전극을 통과하는 양이온(정극성) 또는 전자(부극성)의 양이 증가하여 가속전극에 의해 포집된 양이 많아진 것으로 사료된다.

그림. 3은 가속전극이 설치된 이온풍 챔버의 코로나전극 선단에서의 정·부극성 코로나 방전의 사진이다. 촬영된 사진은 코로나전극과 유도전극사이의 전압은 절연파괴전압 부근(정극성: 11.5 kV, 부극성: 14.0 kV)에서 가속전극에는 코로나 전극과 반대극성의 전압 8.0 kV을 인가하였을 때 정·부극성 방전 사진이다. 사진에서 보이는 정·부극성의 방전사진의 차이점은 전형적인 정·부극성 코로나 방전의 모습을 보이며, 정극성의 경우 코로나 진전이 잘되어 표면적은 작지만 강한 불꽃을 보이고, 부극성의 경우 코로나 진전이 비교적 느리기 때문에 표면적은 넓고 약한 불꽃을 보여준다.

그림. 4는 주 방전의 극성, 가속전극의 설치 유무의 3가지 조건(가속전극이 없을 때, 가속전극 전압이 ±5.0 kV, 가속전극 전압이 ±10.0 kV)에 따른 $W_{S}$-$V_{CI}$ 특성을 나타낸 것이다. 가속전극을 설치한 경우, 가속전극을 설치하지 않았을 때보다 정·부극성 모두 비교적 높은 이온풍속을 얻을 수 있음을 보여준다. 즉, 부극성 코로나의 경우 가속전극을 설치하지 않았을 때, 코로나전극의 최대전압 약 -15.0 kV에서 최대 이온풍속 약 0.71 m/s를 얻을 수 있었으나, 가속전극을 설치 후 가속전극에 전압을 5.0, 10.0 kV 인가한 경우 코로나전극의 최대전압 약 15.0 kV에서 최대 이온풍속이 0.89~0.96 m/s로, 가속전극이 설치되지 않았을 때 보다 약 1.25~1.35배 높은 값을 보여준다. 그러나 정극성 코로나의 경우, 가속전극이 설치되지 않았을 때 코로나전극의 최대전압 약 12.0 kV에서 최대 이온풍속이 약 0.64 m/s이고, 가속전극을 설치 후 가속 전극에 전압을 -5.0, -10.0 kV 인가한 경우 코로나전극의 최대전압 약 12.0 kV에서 약 0.68~0.69 m/s를 얻을 수 있었다. 이는 가속전극이 설치되지 않았을 때 보다 약 1.06~1.08배 높은 값을 보여주며, 정극성 보다 부극성 코로나의 경우 가속전극에 영향을 더 많이 받고 효과적으로 이온풍속을 증가시킬 수 있음을 보여주었다.

그림. 5는 가속전극의 적용에 따른 작용원리와 Comsol Multiphysics을 사용하여 전계해석 나타낸 것이다. 가속전극을 적용한 이온풍 발생 챔버의 코로나 발생으로 이온의 생성, 이동(1차 가속), 가속(2차 가속)의 작용원리를 그림. 5(a)와 같이 도시하였다. 전계 해석에서 사용한 조건은 정·부극성 코로나 해석으로 코로나전극에 ±13.0 kV를 인가하고 가속전극을 설치하지 않았을 때, 가속전극에는 코로나 전극과 반대극성의 10.0 kV를 인가하였을 때 두 가지 조건으로 해석하였다. 그림. 5의 (b)에서와 같이 가속전극을 설치하지 않았을 때는 코로나전극 부근에서 발생된 이온들이 코로나전극과 유도전극 사이에서만 전계에 의해 가속되지만, 그림. 5의 (c)에서와 같이 가속전극을 설치하여 전압을 인가한 경우 코로나전극과 유도전극 사이뿐만 아니라 유도전극과 가속전극 사이에도 전계에 의해 이온들이 가속됨을 알 수 있다.

그림. 6의 (a)는 가속전극을 설치함으로써 이온풍 가속에 영향을 주는 유도전극으로 통과한 이온 및 전자의 양($I_{CIP}$)을 알아보기 위한 실험 개략도이다. 코로나 전류는 정·부극성 모두 코로나전극과 유도전극 사이의 강한 전계에 의해 생성된 이온 및 전자의 흐름으로 이는 전류로 나타나며, 유도전극으로 이동하는 이온 및 전자의 총량을 $I_{CT}$로 표시하고, 유도전극에 포집되는 이온 및 전자를 $I_{CI}$, 유도전극을 통과하는 이온 및 전자를 $I_{CIP}$로 나타내면 $I_{CT}=I_{CI}+I_{CIP}$로 나타낼 수 있다. 유도전극을 통과하는 이온 및 전자의 총량을 $I_{CIP}$, 가속전극에 포집되는 이온 및 전자를 $I_{CA}$로 표시하고, 가속전극을 통과하는 이온 및 전자를 $I_{CAP}$로 표시하였다. 즉 $I_{CIP}=I_{CA}+I_{CAP}$로 나타낼 수 있다.

전류의 측정은 유도전극 및 가속전극에 측정저항을 모두 설치하고 코로나전극의 전압을 가변시켰을 때, 유도전극과 가속전극의 측정저항에 표시되는 전압을 전류로 환산하였다. 그림. 6의 (b)는 정·부극성에서 그물형태의 가속전극에 측정되는 코로나 전류를 측정한 것이다. 코로나 전류는 인가전압에 크기에 비례하여 선형적으로 증가하였으며 정극성 코로나의 경우 약 0.04 $\mu A$ 부극성 코로나의 경우 약 0.2 $\mu A$가 최대치로 측정되었다. 그림. 6의 (c)는 정·부극성에서 유도전극에 측정되는 코로나 전류 대비 가속전극에서 측정되는 코로나 전류의 양을 비율로 나타낸 것이다. 인가전압의 크기가 커질수록 유도전극 대비 가속전극에 흐르는 전류비율도 증가하며 절연파괴전압 부근에서 정극성 코로나의 경우 약 0.030 %, 부극성의 경우 약 0.037 %를 나타내었다. 정극성 코로나가 부극성 코로나에 비해 인가전압을 높일수록 가속전극에 전류 측정 비율이 급격히 증가함을 알 수 있다.

그림. 7은 코로나전극의 전압은 일정하게 하고 가속전극의 전압을 가변 시켰을 때, 정·부극성에서 $I_{CI}$-$V_{IA}$ 및 $W_{S}$-$V_{IA}$ 특성을 보여준다.

코로나전극과 유도전극 사이의 전압의 경우, 정극성 코로나는 +12.0 kV, 부극성 코로나는 -12.0 kV로 각각 고정하였으며, 가속전극과 유도전극 사이의 전압은 정극성 코로나는 0~-10.0 kV, 부극성 코로나는 0~10.0 kV으로 각각 가변하여 실험하였다. 가속전극에 인가되는 전압의 크기가 커질수록 유도전극에 흐르는 코로나 전류($I_{CI}$)는 정극성 코로나의 경우 전류가 100.29 $\mu A$에서 74.02 $\mu A$로 약 26.19 % 감소하였고, 부극성 코로나의 경우 260.04 $\mu A$에서 232.78 $\mu A$로 약 10.48 % 선형적으로 감소하였다. 코로나 전류($I_{CI}$)의 감소는 가속전극의 전압이 높아짐에 따라 유도전극과 가속전극 사이에 전계가 형성되어 $I_{CIP}$의 전류가 증가한 것으로 사료된다. 그림. 6의 (a)에서 도시한 것 같이 $I_{CT}=I_{CI}+I_{CIP}$로 나타내며, $I_{CT}$가 일정할 때 $I_{CI}$의 감소는 $I_{CI}$P의 증가로 설명될 수 있다.

이온풍속의 경우 가속전극에 인가되는 전압의 크기가 커질수록 정극성 코로나의 경우 최대 이온풍속이 0.63 m/s에서 0.74 m/s로 약 1.17배 증가하였고, 부극성 코로나의 경우 0.64 m/s에서 0.88 m/s로 약 1.38배로 비교적 높은 증가율을 보였다. 정극성 코로나의 이온풍속 증가율의 경우 기울기($\tan\theta =\triangle y/\triangle x$)가 약 0.011, 부극성의 경우 약 0.023으로 부극성 코로나가 정극성 코로나의 약 2배가 되었다. 정·부극성 코로나의 경우, 코로나전극 부위에서 발생된 다수의 양이온 및 전자와 소수의 부극성 공기 이온들이 전계방향에 따라 이동하여 그물형 유도전극에서 일부는 중화되어 코로나 전류로 나타나며, 일부는 그물형 유도전극을 통과하여 반대극성의 가속전극에 의해 효과적으로 가속되어 이온풍속이 선형적으로 증가하였다.

유도전극과 가속전극은 모두 그물형 전극으로 이루어져 있어 평판대 평판 전극 구조를 띄며, 통상적인 평판대 평판 구조의 공기 절연내력은 약 30 kV/10 mm이기 때문에 실험에서 인가된 전계 조건 즉, 유도전극과 가속전극 사이에 인가된 전계는 0~±10 kV/20 mm로 동일한 구조의 절연내력보다 비교적 약한 전계를 형성한다. 이 전계는 부극성 코로나에 의해 생성된 다수의 전자를 가속하여 이온 풍속을 비교적 크게 증가 시킬 수 있지만, 정극성 코로나에 의해 생성된 다수의 양이온은 전자에 비해 크기가 크고, 이동속도가 느리며, 개수가 작기 때문에 가속전극의 전압이 커져도 유도전극을 통과하는 양이온의 절대수가 부족하여 이온의 풍속이 부극성 코로나에 비해 비교적 낮게 증가하였으며, 이는 결국 양이온과 전자의 이동속도, 질량, 개수 등의 차이로 사료된다.

4. 결 론

본 연구에서는 기존의 침대 평판(그물)구조의 이온풍 발생 챔버에 가속전극을 추가로 설치하여 적용함으로써 이온의 풍속변화를 실험적으로 연구하여 가속전극의 효과를 비교분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

가속전극에 인가되는 전압을 일정하게 하고 코로나전극에 인가되는 전압을 가변 하였을 때, 정극성 코로나(코로나전극: 0~12.0 kV)의 경우 실험의 3가지 조건(가속전극이 없을 때, 가속전극 전압이 -5.0 kV, 가속전극 전압이 -10.0 kV) 일 때 최대 풍속이 0.64→0.68→0.69 m/s로 가속전극이 없을 때를 기준으로 가속전극을 적용하고 가속전극의 전압이 –5 kV, -10 kV로 증가함에 따라 최대 풍속이 각각 1.06, 1.08배 증가하였고, 부극성 코로나(코로나전극: 0~-15.0 kV)의 경우 실험의 3가지 조건(가속전극이 없을 때, 가속전극 전압이 5.0 kV, 가속전극 전압이 10.0 kV) 일 때 최대 풍속이 0.71→0.89→0.96 m/s로 가속전극이 없을 때를 기준으로 가속전극을 적용하고 가속전극의 전압이 5 kV, 10 kV로 증가함에 따라 최대 풍속이 각각 1.25, 1.35배 증가하였다.

코로나전극의 전압을 일정하게 하고 가속전극에 인가되는 전압을 가변 하였을 때, 정극성 코로나(코로나전극: 12.0 kV, 가속전극: 0~-10.0 kV)의 경우 풍속이 0.63 m/s에서 0.74 m/s로 약 1.17배 증가하였고, 부극성 코로나(코로나전극: -12.0 kV, 가속전극: 0~10.0 kV)의 경우 풍속이 0.64 m/s에서 0.88 m/s로 약 1.38배로 높은 증가율을 보였다.

이상의 결과로 부터 기존의 침대 평판(그물)형 이온풍 발생장치에 가속전극을 적용함으로써 이온의 최대 풍속을 효과적으로 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 향후 가속전극의 활용하여 이온 풍속을 증가시키는 방법에 대한 폭넓은 연구를 수행 할 예정이다.